Теплопроводность легких бетонов в основном зависит от
Обновлено: 01.05.2024
Бетон для ограждающих конструкций
Для теплоизоляционных и некоторых видов конструктивно-теплоизоляционных бетонов используют и органические заполнители из древесины (арболит), отходов сельскохозяйственных культур, а также из вспученных пластмасс (стиропорбетон).
Неорганические пористые заполнители отличаются большим разнообразием, и в любом экономическом районе страны можно изготовлять наиболее выгодный по технико-экономическим показателям вид заполнителя.
Природные пористые заполнители получают путем дробления и фракционирования пористых горных пород (пемзы, вулканического и известкового туфов и т. п.). Это самые дешевые заполнители, получаемые без участия термической обработки. Шлаковая пемза тоже недорога, получают ее путем вспучивания доменных шлаков.
Легкие бетоны из всех видов бетонов отличаются своей универсальностью. Применяя различные виды пористых заполнителей и используя технологические приемы, получают бетоны различного назначения: теплоизоляционные - объемной массой 500 кг/м 3 и менее; конструктивно-теплоизоляционные, предназначенные для ограждающих конструкций - стен и покрытий зданий, имеющие объемную массу до 1400 кг/м 3 , марки по прочности при сжатии 35-100; конструктивные объемной массой от 1400 до 1800 кг/м 3 , с марками по прочности 150-500 и высокой морозостойкостью (Мрз 100-300).
Качество легкого бетона определяется показателями двух самых важных его свойств: проектной маркой по прочности на сжатие и величиной объемной массы. Например, марка легкого бетона 75/1000 обозначает марку по прочности 75 при объемной массе 1000 кг/м 3 .
Объемная масса легкого бетона слитного (плотного) строения зависит, главным образом, от объемной массы пористого заполнителя. Наивыгоднейшее сочетание показателей объемной массы, теплопроводности и расхода цемента достигается при наибольшем насыщении бетона пористым заполнителем. При этом снижается расход цемента и уменьшается содержание цементного камня, являющегося самой тяжелой составной частью легкого бетона.
Установлены следующие марки конструктивно-теплоизоляционных бетонов по объемной массе в стандартном состоянии (после высушивания при 105°С до постоянной массы): 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400. Объемная масса характеризует пористость бетона. Ее увеличение означает снижение пористости бетона, при этом возрастает прочность, но вместе с этим увеличивается теплопроводность.
Прочность легкого бетона подчиняется общей зависимости прочности искусственного каменного материала от Ц/В и марки цемента, представленной на рисунке 1.
Рисунок 1. Зависимость прочности бетонов от Ц/В при разных марках цемента.
Исследования Н.А.Попова доказали, что на легкие бетоны распространяется зависимость вида Rл.б=Ал Rц(Ц/Б=b) , где Rл.б - прочность легкого бетона при сжатии; Rц- активность вяжущего; Ал и b - опытные параметры, различные для разных видов заполнителя.
В дальнейшем Н.А.Попов упростил формулу и представил ее в следующем виде: Rл.б=kRц(Ц-Цо), где Ц - расход цемента, кг/м 3 ; k и Цо - опытные коэффициенты.
Численные значения опытных коэффициентов, входящих в формулу, изменяются в широких пределах в зависимости от вида применяемых заполнителей. Поэтому рекомендуется пользоваться для определения состава легкого бетона опытным графиком, выражающим приведенную выше зависимость от Ц/В или Ц, применительно к данным материалам.
Установлены следующие проектные марки легкого бетона по прочности на сжатие: 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 400 и 500. Легкобетонные камни для стен обычно имеют марку 25 и 35. Крупные стеновые панели и блоки изготовляют из легкого бетона марок 50, 75 и 100.
Конструктивные легкие бетоны марок 150-500 получают, применяя портландцемент марок 400-600. Крупным заполнителем служит керамзитовый гравий, аглопоритовый щебень или шлаковая пемза. Заполнитель берут более прочный и, следовательно, более плотный с объемной насыпной массой 600-800 кг/м 3 . В качестве мелкого заполнителя зачастую применяют кварцевый песок. Расход портландцемента назначается в зависимости от марки по прочности и поэтому колеблется в довольно широких пределах от 250 до 600 кг/м 3 . Объемная масса конструктивных легких бетонов с кварцевым песком доходит до 1700-1800 кг/м 3 , но все же она на 600-700 кг/м 3 меньше, чем у тяжелого бетона. Поэтому коэффициент конструктивного качества, равный отношению прочности к объемной массе, у легкого бетона выше примерно в 1,4 (при одинаковой прочности). В силу этого конструктивный легкий бетон особенно выгодно применять взамен тяжелого бетона в железобетоных конструкциях больших пролетов (фермы, пролетное строение мостов и т. п.), где особенно эффективно снижение собственной массы конструкции. Уменьшение нагрузок от собственной массы позволяет сократить расход арматурной стали на 15-30%.
Деформативные свойства легких и тяжелых бетонов сильно различаются. Легкие бетоны на пористых заполнителях более трещиностойки, так как их предельная растяжимость в 2-4 раза выше, чем равнопрочного тяжелого бетона. Однако следует учитывать и такие особенности легких бетонов, как большие усадка и ползучесть по сравнению с тяжелым бетоном.
Теплопроводность легкого бетона зависит в основном от объемной массы и влажности. В таблице 1 приведены средние значения коэффициентов теплопроводности бетонов с сорбционной влажностью.
Увеличение влажности бетона на 1% повышает коэффициент теплопроводности на 0,01-0,03 Вт/(м*К). В зависимости от объемной массы и коэффициента теплопроводности толщина наружной стены из легкого бетона может быть от 22 до 50 см.
Долговечность бетона зависит от его морозостойкости. Для ограждающих конструкций обычно применяют легкие бетоны, выдерживающие 15-35 циклов попеременного замораживания и оттаивания.
Таблица 1. Коэффициенты теплопроводности легких бетонов
Однако для стен влажных промышленных помещений, в особенности в районах с суровым климатом, требуются более морозостойкие легкие бетоны. Требования по морозостойкости еще более повышаются, если конструктивный легкий бетон предназначен для гидротехнических сооружений, мостовых и других конструкций. В этих случаях нужен легкий бетон с марками по морозостойкости Мрз50, Мрз100 и Мрз200.
Для морозостойкого легкого бетона рекомендуется применять портландцемент марок 500 и 600, изготовленный на основе клинкера с умеренным содержанием трехкальциевого алюмината (не более 7%). В качестве крупного заполнителя предпочтителен керамзитовый гравий. Его важной характеристикой являются «резервные" поры, не заполняемые водой при обычных условиях. Чем больше объем резервных пор, тем выше морозостойкость керамзита. Вода, насыщающая зерна керамзита, при замерзании расширяется и отжимается в резервные (свободные от воды) поры, не причиняя вреда самому материалу. Объем резервных пор определяется по разности между водопоглощением керамзита под вакуумом и при нормальном давлении. Морозостойкость легкого бетона сильно повышается, если вместо мелкого заполнителя, полученного дроблением керамзитового гравия, применяют обжиговый керамзитовый песок.
Морозостойкость зависит не только от качества цемента и заполнителей, но и от строения бетона. Оно должно" быть слитным, при этом цементного теста должно хватить на образование вокруг зерен пористого заполнителя оболочек, которые уменьшают водопоглощение пористого заполнителя в бетоне и увеличивают стойкость бетона. Поэтому для повышения морозостойкости легкого бетона надо принимать расход портландцемента, пользуясь рекомендациями таблицы 2.
Легкий бетон из данных материалов имеет наибольшую морозостойкость при таком оптимальном количестве воды затворения,
Таблица 2. Минимальные расходы цемента (на 1 м 3 бетона) для приготовления морозостойких легких бетонов
при котором применяемый способ уплотнения обеспечивает наиболее компактное размещение зерен твердых составляющих, что отвечает признаку минимального коэффициента выхода. Созданию оптимальной структуры и повышению морозостойкости легкого бетона способствует подбор оптимального расхода воды, а также применение гидрофобизующих добавок. При замене 5-10% воды затворения битумной эмульсией повышается удобоукладываемость бетонной смеси, уменьшается водоотделение и капиллярное всасывание. Морозостойкость возрастает при введении в бетонную смесь добавки кремнийорганических жидкостей (0,1-0,2% от массы цемента). Применяют также воздухововлекающие добавки: абиетат натрия (0,01%) и канифольное мыло (0,02-0,04%).
Опытные данные показали возможность получения легких бетонов на пористых заполнителях, которые выдерживают 400, 600 и 800 циклов попеременного замораживания и оттаивания, при снижении прочности не более чем на 25%. Возможность получения легких бетонов с высокой морозостойкостью и малой водопроницаемостью значительно расширяет области их применения. Бетоны на пористых заполнителях уже успешно используют в мостостроении, в гидротехническом строительстве .и даже в судостроении.
В слабоагрессивных и среднеагрессивных средах легкобетонные конструкции можно применять без специальной защиты при условии, если показатель проницаемости легкого бетона не отличается от соответствующей характеристики тяжелого бетона, эксплуатируемого в данной агрессивной среде. Применение же легких бетонов в сильноагрессивной среде разрешается лишь после опытной проверки.
Легкий бетон для несущих армированных конструкций должен быть плотным, т.е. иметь слитную структуру, при которой межзерновые пустоты крупного заполнителя были бы полностью заполнены цементным раствором. В таком плотном легком бетоне защита арматуры от коррозии не нужна. Вид цемента и добавок для легкого бетона выбирают согласно рекомендациям, принятым для тяжелых бетонов, эксплуатируемых в данных условиях. При этом необходимо нормировать минимальный расход цемента (который несколько выше, чем у тяжелых бетонов) и устанавливать оптимальную дозировку добавок, применяемых для повышения стойкости легкого бетона.
Если плотность защитного слоя легкого бетона недостаточна и он не препятствует прониканию влаги и агрессивных агентов к арматуре, принимают специальные меры по защите арматуры. Закладные металлические детали в конструкциях из легких бетонов защищают от коррозии, например, путем оцинкования.
Водостойкость плотных легких бетонов на цементе существенно не отличается от водостойкости тяжелых бетонов. Обычно уменьшение прочности легких бетонов от их кратковременного насыщения водой не превышает 15%. В воде легкие бетоны набухают больше, чем равнопрочные тяжелые бетоны.
Водонепроницаемость конструктивных легких бетонов высокая. Керамзитобетон с расходом цемента 300-350 кг/м 3 не пропускает воду даже при давлении 2МПа. Малая водопроницаемость легких бетонов подтверждается долголетней эксплуатацией гидротехнических сооружений в Армении и Грузии, а также испытанием напорных труб. Характерно, что со временем водонепроницаемость легких бетонов повышается.
Теплопроводность легких бетонов в основном зависит от
Значительный диапазон требований к легким бетонам различных видов объясняется большим разнообразием их структуры и характеристик применяемых материалов, от которых зависят свойства легкобетонных смесей и затвердевшего бетона.
Свойства легкобетонной смеси принято характеризовать ее объемным весом, удобоукладываемостью (подвижностью и жесткостью) или рассливаемостью и структурой (объемом межзерновых пустот).
Объемный вес бетонной смеси является одной из важных характеристик, определяющих ее однородность, а следовательно, и постоянство свойств затвердевшего бетона —его объемный вес и прочность. На объемный вес смеси оказывают влияние относительное содержание и свойства крупного и мелкого заполнителей, объем межзерновых пустот смеси, степень последующего уплотнения бетона. Эти факторы влияют и на расход вяжущего в бетонной смеси.
Удобоукладываемость легкобетонных смесей зависит от структуры и состава бетона. Смеси с межзерновой пористостью (малопесчаные и крупнопористые) могут быть только жесткими. Смеси плотной структуры могут быть жесткими и подвижными, а поризо-ванной — подвижными и малоподвижными. При этом большую подвижность назначают для поризованной беспесчаной смеси. Ориентировочные значения подвижности или жесткости легкобетонной смеси приведены в табл. 2.
Таблица 2. Показатели жесткости или подвижности легкобетонной смеси к началу формирования конструкций
Вид конструкций и способ формования Плотная смесь Поризованная смесь осадка, конуса, см жесткость, сек беспесчаная осадка конуса, см жесткость, сек осадка конуса, см жесткость, сек Тонкостенные железобетонные изделия, бетонируемые в кассетных виброформах Плоские панели и плиты, бетонируемые на виброплощадках Те же изделия с уплотнением вибронасадками Те же изделия, формуемые на виброплощадках с пригрузом и вибровкладышами с немедленной распалубкойВ легкобетонных смесях как недостаточное, так и избыточное содержание воды (по сравнению с оптимальным для заданных условий уплотнения) приводит к уменьшению плотности, а следовательно, и прочности бетона.
Подвижность и жесткость плотной бетонной смеси определяют такими же методами, как у обычных тяжелых бетонов.
Смеси неплотной структуры, в которых объем межзерновых пустот превышает 3%, могут в процессе уплотнения вибрированием расслаиваться. Это свойство чаще проявляется в смесях, приготовленных с избыточным количеством воды и содержащих мелкий и крупный заполнители с большой разницей значений объемного веса или из-за недостаточного количества мелких фракций в песке.
Такие смеси характеризуются не жесткостью, а расслаиваемо-стью. Показатель расслаиваемости определяют по ГОСТ , выявляя величину изменения объемного веса в верхних и нижних частях образцов уплотненной бетонной смеси.
Качество смеси признают удовлетворительным, если величина показателя расслаиваемости не превышает 10%.
Введение в малопесчаную смесь микропенообразующей (воздухововлекающей) добавки увеличивает объем поризованной растворной составляющей до полного заполнения межзерновых яустот в крупном заполнителе. Такая бетонная смесь приобретает псевдо-плотную (поризованную) структуру; она становится менее жесткой и нерасслаиваемой в процессе ее уплотнения вибрированием.
Из свойств легкого бетона основными являются объемный вес и прочность при сжатии, контролируемые при производстве изделий. Эти свойства для легкого бетона также взаимозависимы.
Большое влияние на объемный вес и прочность легких бетонов оказывают зерновой состав и свойства заполнителей. При увеличении относительного содержания крупного заполнителя в составе бетона его объемный вес и прочность уменьшаются. Яркой иллюстрацией этой зависимости являются свойства крупнопористого бетона, объемный вес и прочность которого при прочих равных условиях наименьшие.
С увеличением расхода вяжущего прочность и объемный вес легкого бетона возрастают вследствие повышенного содержания в бетоне более прочного и тяжелого цементного камня.
С повышением активности цемента прочность цементного камня увеличивается; поэтому при неизменном объемном весе легкого бетона прочность его возрастает, хотя и в меньшей степени, чем у тяжелого бетона. Это увеличение прочности носит затухающий характер, и в зависимости от свойств заполнителя она может оказаться предельной, несмотря на повышение активности и расхода цемента. Однако применение цементов несколько более высокой активности позволяет уменьшить их расход и этим снизить объемный вес бетона.
Объем применения легких бетонов с каждым годом увеличивается в связи с развитием индустриальных методов строительства, переходом к монтажу стен, перекрытий и перегородок из крупноразмерных бетонных и железобетонных готовых деталей, изготовляемых на специальных заводах.
Состав легких бетонов на пористых заполнителях
Легкие бетоны с пористыми заполнителями изготовляемые из вяжущих, воды и легких заполнителей; такие бетоны в зависимости от веса примененных заполнителей имеют объемный вес от 800 до 1800 кг/м3, а чаще всего 1300—1500 кг/м3;
- легкие крупнопористые бетоны («беспесчаные»), изготовляемые из цемента, воды и гравия (или щебня), одинаковой по возможности крупности; отсутствие в таких бетонах песка придает им — при ограниченном количестве цемента крупнопористое строение; объемный вес таких бетонов составляет от 600 до 2000 кг/м3 в зависимости от объемного веса примененного заполнителя и состава бетона;
- особо легкие ячеистые бетоны, изготовляемые в основном из вяжущих (большей частью с добавками, уменьшающими их расход), воды и пенообразующих (пенобетоны) или газообразующих (газобетоны) веществ; такие бетоны имеют объемный вес от 300 до 1200 кг/м3, чаще же всего 500—800 кг/м3.
В области изучения и применения легких- бетонов советские исследователи и инженеры достигли значительных успехов.
В 1929—1933 гг. была впервые разработана теория легких бетонов (проф. Н. А. Поповым и др.) и легкого железобетона. На основе этих и ряда других работ легкие бетоны с пориогыми заполнителями были широко внедрены в строительство.
Области применения бетонов на местных пористых заполнителях по мере изучения их свойств расширяются. Так, например для элементов гидротехнических сооружений получили применение бетоны на литоидной пемзе (несколько более плотной, чем обычная пемза).
Определение состава легких бетонов
Так как объемный вес пористых заполнителей легкого бетона изменяется в больших пределах, состав легкого бетона удобнее выражать в объемных показателях.
Для определения состава легкого бетона задается проектная марка бетона или его прочность к определенному сроку и с учетом режима твердения, объемный вес и структура бетона, а для бетона с плотной и поризованной структурой — жесткость или подвижность бетонной смеси.
Многообразие видов легких бетонов, пористых заполнителей и их свойств затрудняет разработку единой методики определения их состава. Однако некоторые зависимости, рассмотренные при определении состава тяжелого бетона, сохраняются и для легкого бетона.
Прочность легкого бетона не находится в строгой зависимости от водоцементного отношения. Это объясняется большим влиянием на ее изменение вида и прочности заполнителя, расхода и активности цемента, выраженных в прочности растворной части бетона (рис. 5) и структуры легкого бетона (рис. 6).
Рост прочности бетона с увеличением прочности раствора постепенно уменьшается, и для определенной прочности пористого заполнителя устанавливается предельное ее значение.
Для приготовления высокопрочных легких бетонов, в зависимости от их марки, рекомендуется применять пористые заполнители, прочность которых не ниже указанной в табл. 1.
Для достижения заданного объемного веса легкого бетона, кроме применения соответствующего крупного пористого заполнителя, уменьшают относительный объем и объемный вес растворной части бетона применением более легкого мелкого заполнителя, ограничением расхода цемента (путем повышения его активности) или изменяют структуру бетона. При этом расход цемента в неармированных легких бетонах должен быть не менее 120 кг/м3, в армированных конструктивно-теплоизоляционных — не менее 200 кг/м3, а в конструктивных бетонах — не менее 220 кг/м3.
Минимальная прочность при сжатии крупного пористого заполнителя для приготовления высокопрочных легких бетонов различных марок
| Марка бетона | Прочность крупного заполнителя по ГОСТ при применении в кг/см2 | ||||
| керамзитового гравия | щебня из аглопорита | щебня из шлаковой пемзы | щебня из природных пористых заполнителей | ||
| пемзы | туфов | ||||
| 200 | 20 | 8 | 10 | 10 | 12 |
| 250 | 25 | 9 | 11 | 12 | 15 |
| 300 | 35 | 10 | 12 | 15 | 17 |
| 350 | 40 | 12 | 13 | 17 | 20 |
| 400 | 50 | 14 | 15 | 20 | 25 |
| 500 | 70 | 16 | 20 | 25 | 30 |
В отличие от тяжелых в легких бетонах даже низких марок рекомендуется использовать высокопрочные цементы. Ниже приведены марки цемента, которые целесообразно применять в зависимости от требуемой марки легкого бетона.
| Марка легкого бетона | 50—150 | 200—250 | 300 | 350—400 |
| Марка цемента | 400 | 400, 500 | 500 | 550 ОБТЦ |
| БТЦ | 550 |
Зерновой состав смеси заполнителя влияет на расход цемента в легком бетоне. При использовании фракционированных заполнителей, их соотношение рекомендуется принимать по табл. 3.
Таблица 3. Зерновой состав смеси пористых заполнителей для виброуплотняемых легких бетонов
| Вид простого заполнителя | Предельная крупность заполнителя. мм | Содержание фракции в % по объему | ||
| менее 1,2 мм | 1,2—5 мм | более 5 мм | ||
| Щебень | 10 | 45-65 | 0-20 | 35-55 |
| 20 | 30-50 | 0-20 | 50-70 | |
| 40 | 20-35 | 0-20 | 65-80 | |
| Гравий | 10 | 40-60 | 0-20 | 40-60 |
| 20 | 25 - 45 | 0-20 | 55-75 | |
| 40 | 15-30 | 0-20 | 70-85 | |
При этом необходимо учитывать, чтобы принятый зерновой состав пористого заполнителя имел объемный вес, соответствующий оптимальному для легкого бетона данной марки. Меньшее содержание крупной песчаной фракции (1,2—5 мм) принимают; при использовании пористого песка, полученного дроблением. Сильно развитая поверхность его зерен приводит к повышению расхода цемента и ухудшает формуемость бетонной смеси.
Предельную крупность пористого заполнителя
Предельную крупность пористого заполнителя назначают, исходя из тех же условий, что и для тяжелых бетонов. Поскольку крупные зерна пористого заполнителя имеют обычно наименьший объемный вес, увеличение их содержания в легком бетоне снижает его объемный вес. Уменьшение же предельной крупности улучшает формуемость и связность бетонной смеси, а также повышает прочность бетона ввиду увеличения прочности зерен более мелкой фракции пористого заполнителя.
Предельная крупность пористого гравия обычно составляет 40 мм, а крупность пористого щебня, как правило, не должна превышать 20 мм. При этом для бетонов неплотной структуры целесообразно применять пористый гравий не крупнее 20 мм.
Состав легкого бетона плотной структуры определяют в той же последовательности, что и тяжелого, т. е. после предварительного расчета состава легкого бетона по методу абсолютных объемов или с помощью таблиц и графиков уточняют его по результатам опытных замесов.
Предварительно испытывают материалы, применяемые для легкого бетона, с целью проверки соответствия их свойств требованиям ГОСТа на эти материалы и заданным свойствам бетона (объемному весу и прочности).
Расход цемента принимают по табличным данным, полученным по обобщенным результатам испытания легких бетонов различных марок, приготовленных из материалов с оптимальными свойствами.
Ориентировочные значения расхода цемента для опытных замесов с учетом указаний, приведены в табл. 4.
Таблица 4. Ориентировочный расход цемента марки 400 для приготовления легкого бетона
| Заполнитель | Расход цемента в кг/м3 для бетона марки | |||||
| 50 | 75 | 100 | 150 | 200 | 300 | |
| Керамзитовый гравий | 200-230 | 210-250 | 220-270 | 240-300 | 320-400 | 420-550 |
| Аглопорит, шлаковая пемза, туф, пемза природная | 250-270 | 280-300 | 300-330 | 300-380 | 350-420 | — |
Меньше расходуется цемента в смесях жесткостью 20—30 сек, больше в смесях подвижностью 3—5 см. Прочность пористого крупного заполнителя принята оптимальной для данной марки бетона. Замена пористого песка кварцевым в бетонах марки 200 и более снижает расход цемента на 10—15%.
Водопотребность легкобетонной смеси
Водопотребность легкобетонной смеси определяется в зависимости от заданной удобоукладываемости, с учетом качества применяемых заполнителей и расхода цемента. Ориентировочные значения водопотребности смеси указаны в табл. 5.
Таблица 5. Ориентировочный расход воды для приготовления смесей на пористых заполнителях предельной крупностью 20 мм при расходе портландцемента до 400 кг/м2.
Теплопроводность бетона
Коэффициент теплопроводности бетона – одна из важных характеристик, учитываемых при проектировании здания. Эта величина применяется в теплотехнических расчетах, позволяющих точно определить минимально допустимую толщину стен.
Понятие коэффициента теплопроводности
Эта величина определяет количество тепла, проходимое через единицу объема образца при разнице температур в 1 градус Цельсия. Единица измерения – Вт/(м*C). Чем больше эта характеристика, тем выше способность материала передавать тепло и тем хуже он выполняет функции теплоизолятора.
Бетон имеет неоднородную структуру. Теплопередача определяется компонентами, входящими в состав строительного материала. Наименьшую теплопроводность имеет воздух, который находится в микропорах заполнителей и капиллярах цементного камня. Поэтому чем выше его содержание, тем лучше теплоизоляционные свойства бетонного элемента.
Факторы, влияющие на теплопропускаемость бетона
Из-за неоднородности структуры бетонных конструкций и разных условий эксплуатации коэффициент теплопроводности в этом случае – величина условная. На этот параметр оказывают влияние:
-
. Чем плотнее материал, тем ближе друг к другу находятся его частицы, тем быстрее передается тепло. Это значит, что тяжелые бетоны имеют больший коэффициент теплопроводности, по сравнению с легкими (керамзитовыми, вермикулитовыми, перлитовыми).
- Пористость и структура пор. Чем больше объем, занятый воздухом, тем лучше материал задерживает тепло. Но на теплоизоляционные характеристики влияет не только процентное содержание воздуха, но и размеры, а также замкнутость пор. Лучше всего прохождению тепла препятствуют мелкие замкнутые поры. Крупные поры, которые сообщаются между собой, увеличивают теплопередачу.
- Влажность. Это еще один фактор, влияющий на коэффициент теплопередачи бетона. Вода способна проводить тепло в 20 раз лучше воздуха. Поэтому увлажненный материал резко теряет теплоизоляционные характеристики. При отрицательных температурах вода в увлажненном слое замерзает, вызывая не только повышенные теплопотери здания, но и быстрое разрушение строительного материала. В таблицах, применяемых при точных теплотехнических расчетах, часто указывают три значения коэффициента теплопроводности – в сухом виде, при нормальной влажности, в увлажненном состоянии.
- Температура. С повышением температуры коэффициент теплопроводности увеличивается.
Сравнение коэффициента теплопроводности тяжелого бетона, пено- и газобетона, керамзитобетона, фибробетона.
Наиболее высоким коэффициентом теплопроводности обладает тяжелый бетон, армированный стальными стержнями или проволокой (железобетон) – до 2,04 Вт/(м*C). Немного ниже этот показатель у неармированных бетонных элементов.
Более низким коэффициентом теплопроводности и повышенными теплоизоляционными характеристиками обладают: керамзитобетон, изготовленный с использованием кварцевого или перлитового песка, сухой пено- и газобетон. Уровень теплопередачи фибробетона сравним с аналогичным показателем плотного керамзитобетона.
Таблица коэффициентов теплопроводности различных видов бетона
Правильное проведение теплотехнических расчетов позволяет определить оптимальную толщину стен, что обеспечивает уменьшение расходов на отопление и комфортный микроклимат внутри здания.
Теплопроводность легких бетонов в основном зависит от
dQ = ÑТdS, или dS = dQ/ÑT. (1)
Этим определяется методологическое значение его применения в бетоноведении. Кроме того, скорость роста энтропии может сама по себе рассматриваться как важнейшая характеристика для прогнозирования процессов в физической системе. На основе этой характеристики можно анализировать стационарные состояния систем и изменение их свойств.
Согласно второму закону термодинамики, у всякой неизолированной бетонной системы энтропия состоит из двух слагаемых:
dS = dtS + deS, (2)
обусловленных изменением энтропии за счет внутренних dtS и внешних deS взаимодействий, причем dtS всегда ³ 0, тогда как 0 ³ deS ³ 0. Поэтому возрастание или убывание энтропии бетонной системы определяется в конечном итоге соотношением слагаемых в (2).
Если зафиксировать положение внешних тел, окружающих систему, то с течением времени любая физическая система придет в такое положение, когда её внутреннее состояние будет определяться только внешними параметрами и, не будет зависеть от начальных значений внутренних параметров. Это положение называется положением термодинамического равновесия, а время его установления - временем релаксации. В положении термодинамического равновесия все внутренние параметры системы одинаковы для всей системы, т.е. не зависят от координат и времени. С этой точки зрения процесс установления термодинамического равновесия можно рассматривать как процесс выравнивания внутренних параметров, который сопровождается соответствующими процессами переноса. Простейшим видом описания подобной связи является известный закон теплопроводности Фурье, устанавливающий зависимость между потоком теплоты и градиентом температур:
q = - l ÑT, (3)
где - q - удельный тепловой поток; l -коэффициент теплопроводности.
Термодинамическая идентичность l и S в уравнениях (1 и 3) позволяют провести анализ теплопроводности бетона по аналогии с уравнением (2). Следуя этой аналогии теплопроводность бетона в эксплуатационных условиях может быть выражена:
l(t) = l0 - Dl0(t) (4)
где l0 - теплопроводность бетона при завершении, в основном, процессов структурообразования; Dl0 - приращение, которое возникает в результате эксплуатационных воздействий за время t. Знак «минус» указывает, что релаксация теплопроводности связана с уравновешиванием конструктивных и деструктивных процессов, происходящих в бетоне, которые в целом приводят к уменьшению внутреннего напряжения и развитию необратимых деформаций.
В термодинамическом аспекте можно предположить, что скорость изменения теплопроводности пропорциональна её отклонению от равновесного значения (l ^ ). В этом случае:
d(l-l ^ )/dt = -(l-l ^ )/t , (5)
где t - время релаксации.
Интегрируя и преобразуя, получаем:
l(t)=l0 - Dl0 е -( t )/ t , (6)
Уравнение (6) можно считать общим уравнением теплопроводности бетона. Графическая интерпретация этого уравнения представлена на рис. 1.
Решение уравнения (6) сводится к минимизации l0 и t. Очевидно, что l0 представляет собой структурно - технологический, внутренний, аспект теплопроводности и должно прогнозироваться на стадии проектирования состава бетона. Время релаксации t зависит не только от природы внутреннего параметра l0, но и от характера нарушения его равновесного значения, в первую очередь за счет деструкции.
Учитывая, что теплопроводность бетона связана с энергетическим состоянием его структуры ΔU и энтропией ΔS, можно предположить, что постоянная времени релаксации определяется соотношением (DU/DS). Анализируя (DU/DS) в рамках основных уравнений термодинамики для процесса деформирования тел, получаем выражение:
DU/DS = Т + Θ grad T (7)
где Θ - объемные относительные деформации; Т- температура.
Рисунок 1. Графическая интерпретация общего уравнения теплопроводности бетона
Следовательно, релаксация теплопроводности, пропорциональна температуре эксплуатации и затуханию объёмных деформаций бетона, вызванных уровнем напряжения.
Экспериментальные исследования теплопроводности бетона (рис.2,3) подтвердили затухающий характер изменения Dl0 как функции времени и деформативности. Анализ этих результатов позволил получить уравнение изменения теплопроводности бетона во времени при фиксированном уровне напряжения:
l(t,h) =l0t(Вt-1)+mh(1+0,93h) (1 -2 m)[1-mh(1+0,93h)(1-2m)]> (8)
где m - коэффициент Пуассона; h - уровни напряжения; t - время; А,В, - эмпирические коэффициенты, отражающие вид и качественные характеристики бетона.
Рисунок 2. Изменение относительных приращений теплопроводности шлакобетонов во времени.
Рисунок 3. Влияние объёмных деформаций на приращения теплопроводности шлакобетонов.
С позиции термокинетической теории деформирования бетона и баланса энтропии, процесс релаксации теплопроводности также связан с увеличением энтропии.
Рисунок 4. Схема роста энтропии бетона во времени при его деформировании
(S* - энтропийный критерий разрушения, t1 и t2 - границы инкубационной стадии).
Однако, в случае эксплуатации ограждающих конструкций из легкого бетона, кинетика этого процесса в основном заканчивается на «инкубационной» стадии (рис.4), когда в деформируемом бетоне зарождаются и накапливаются различного рода дефекты и повреждения. Этот процесс носит статистический характер и в каждый момент времени деформирования, заданным условиям напряжения, соответствует определенная степень повреждаемости структуры данного бетона. Приращение энтропии за счет внешнего взаимодействия затухает и в целом оно не достигает уровня «энтропийного критерия разрушения», что соответствует нижнему уровню границ микротрещинообразования легкого бетона.
Легкие бетоны в частном строительстве
Виды легкого бетона
Снижение массы бетона происходит за счет образования пор и использования вместо традиционного гравия, а иногда и песка, легких заполнителей. Иногда поры образуются при использовании различных процессов. В зависимости от способа получения легкие бетоны подразделяют на три группы:
Но в каждой из групп может быть много разновидностей и составов. Используется разный заполнитель и различные вяжущие. Традиционно в качестве вяжущего используются цементы (на портландцементе материалы имеют лучшие прочностные характеристики). Вторым по популярности вяжущим является известь, реже используют гипс. Иногда могут применять смеси вяжущих и использовать жидкое стекло.
Технологии твердения
Есть три технологии изготовления ячеистого бетона:
- Естественное твердение. Залитый в формы состав оставляют не определенное время в опалубке. По истечении определенного времени (зависит от состава и вида) опалубку снимают. По этой технологии материал получается самый дешевый, но его характеристики находятся в самой нижней части допустимого диапазона, а иногда и ниже.
- Обработка в тепло-тепловлажностных камерах при атмосферном давлении. Качественные показатели выше, но и выше затраты и цена.
- Автоклавное твердение. Материал приобретает отличные характеристики, но и дороже стоит из-за дорогостоящего оборудования и расходов на энергоносители (на поддержание температуры и давления в камере).
Заполнители
Свойства, характеристики, применение
Основные характеристики легких бетонов, на которые следует обращать внимание при выборе, это плотность (объемная масса), прочность, теплопроводность и морозостойкость.
Соответствие между марками и классами бетона
Теплопроводность легких бетонов имеет обратную зависимость по отношению к плотности: чем больше воздуха содержит материал, тем меньше тепла он проводит. Этот параметр изменяется в значительных пределах от 0,07 до 0,7 Вт/(мх°С). Самые легкие материалы с малой плотностью используют как теплоизоляцию. Ими обшивают стены зданий и пристроек. Очень популярно утепление пенобетоном балконов и лоджий. Но наибольший экономический эффект можно получить при строительстве из легкого бетона средней плотности. Он имеет достаточную несущую способность для того чтобы можно было построить двух- или трех- этажный дом. При этом дополнительного утепления не требуется.
Таблица теплопроводности легких бетонов и традиционных строительных материалов
Назначение
По назначению легкие бетоны делят на следующие группы:
Достоинства и недостатки
Зато плюсы легкого бетона как утеплителя более существенны. Он легко монтируется, мало весит, легко режется и пилится, хорошо переносит погодные изменения, не требует использования ветрозащиты. Ко всему этому добавьте высокие свойства по теплоизоляции и невысокую цену.
Если говорить об использовании легких бетонов, как материала для строительства домов, их достоинства в следующем:
Как видим, достоинств у легкого бетона как строительного материала масса. Но не все так безоблачно. Есть недостатки, о которых стоит знать для принятия взвешенного решения:
Большая часть недостатков, скорее, является особенностями эксплуатации, но принимать их во внимание необходимо. Тогда не будет неприятных сюрпризов, а все особенности будут учитываться еще на стадии планирования.
Где и как использовать на стройке, примеры изготовления своими руками
Как подобрать рецептуру
Пропорции компонентов для бетонов разных марок
Теперь о пропорциях. Их берут стандартные для заданной марки. И в зависимости от выбранного типа (беспесчаный или обычный) заменяют заполнитель. Для стяжки пола чаще всего используют обычные легкие бетоны. В них гравий заменяют выбранным заполнителем, который добавляют в нужной пропорции. Только воды берут меньше, делая раствор настолько плотным или текучим, чтобы можно было только его уложить.
Даже на производстве точный состав легкого бетона определяют каждый раз экспериментальным путем. Это обусловлено тем, что заполнители имеют очень разные характеристики как по массе, так и по плотности и другим параметрам. Делают несколько мелких замесов с разным составом заполнителя (крупного, мелкого, их пропорций, комбинируют несколько разных типов заполнителя) и разным количеством воды. После застывания определяют, какой из них лучше подходит для выполнения конкретной задачи. По такой же методе можно и самостоятельно определить сколько и какого заполнителя лучше сыпать, а потом затворять большие объемы.
Пример утепления чердака полистиролбетоном
Пример экспериментального подбора под конкретные задачи смотрите в видео. Требовалось подобрать состав для утепления чердачного перекрытия. Решено использовать полистиролбетон как теплый и легкий. Выбран был беспесчаный состав и в качестве заполнителя насыпались только полистирольные шарики.
По выбранной рецептуре и замешивали легкий бетон и утепляли чердак. Процесс можно увидеть дальше.
Но этот состав подойдет только для утепления в местах с небольшой нагрузкой. Если вам нужна стяжка с теплоизоляционными характеристиками на пол, берете традиционную рецептуру с песком, а заполнитель заменяете на полистирольные шарики. Для повышения прочностных характеристик можно добавить армирующие волокна, например волокна фибры. Для улучшения пластичности можно добавить, как в видео-фрагменте, некоторое количество моющего средства для посуды или жидкого мыла. В общем, оптимальный состав надо определять экспериментально.
Пример заливки стяжки из полистиролбетона можно увидеть в следующем видео. Новостей никаких, кроме другого состава: есть песок. В результате получится более однородная структура с полостями, заполненными бетонным раствором и небольшими воздушными пузырьками.
Что еще надо знать, что для производства полистиролбетона крошку лучше не использовать. Для нормальных характеристик нужны шарики, причем не любые, а те, которые будут хорошо сцепляться с раствором. Они имеют прочную пленку на поверхности и не впитывают цементное молочко, благодаря чему и имеют хорошие теплоизоляционные свойства. Крошка, полученная измельчением бракованных плит, имеет неравномерную и рваную структуру. В результате пропитывается цементным молочком. Естественно, такой бетон будет теплее чем обычный, но не такой, как с гранулированным.
Керамзитобетон в частном домостроении
Порядок подбора состава тут аналогичен описанному выше. Только еще добавляется возможность изменять пропорции крупной и средней фракции. Также можно добавлять или нет песок и получать разные по структуре и характеристикам результаты.
Керамзитобетон используют для заливки в формы и получение строительных блоков, а также возможно возведение стен с переставной опалубкой. В отличие от керамзитобетонных блоков такую технологию можно использовать для возведения несущих стен.
Читайте также: